high-K / Low-K 물질에 대한 이해

안녕하세요? 오늘은 반도체에서 아주 중요하게 다뤄지는 개념 중 하나인 high-k, low-k 물질에 대해 얘기해보도록 하겠습니다.

 

일단 k 값이 뭔지를 알아야 high-k, low-k에 대해 이해할 수 있을 것 같습니다.

여기서 k는 유전상수(Dielectic Constant)를 나타냅니다. 유전상수는 물질이 전기장에 응답하는 정도를 나타내는데, 이러한 응답 정도는 전기적으로 충전된 입자 사이의 상호 작용을 설명하는 중요한 물성입니다.

 

이 k 값은 또 우리가 알고 있는 Capacitance 공식과 연관이 있는데요.

Capacitance는 다음과 같은 공식으로 표현됩니다.

C = ( ε⋅A ) / d   (C : 커패시턴스, ε : 유전상수, A : 전극 면적, d : 전극 사이의 거리)

 

(혹시 Capacitance에 대해 잘 모르신다면 아래 게시글 참고하세요)

2023.11.30 - [분류 전체보기] - Capacitance(정전용량) - 에너지/전하의 저장

Capacitance(정전용량) - 에너지/전하의 저장

 

위 공식에서 볼 수 있듯이, 

k 가 크면 -> Capacitance 작다

k 가 작으면 -> Capacitance 작다 

 

이 내용을 머리에 넣고 high-k, low-k에 대해 각각 파헤쳐봅시다.

 

1. High-k 물질(High-k Dielectric)

High-k 물질은 반도체 제조 과정에서 게이트 절연층에 사용됩니다. 

 

*특징

- High-K 물질은 유전상수가 높아 전기적 특성이 우수하고, 이는 더 작은 전력 소모를 가능하게 해줍니다

- 소자 크기 축소 : 유전상수가 높기 때문에 더 얇은 절연층을 형성할 수 있으며, 이는 반도체 소자의 크기를 축소 및

                            leakage 감소에 도움을 줍니다

- 대표적인 물질로는 HfO2(하프늄산화물)이 있는데, 최근 반도체 기술에서 사용되고 기존의 SiO2 대신 게이트 절연층으로 사용됩니다.

 

2. Low-k 물질(Low-k Dielectric)

Low-k 물질은 반도체 소자 간의 신호 전달 속도를 향상시키기 위해 사용되는 소재입니다.

 

*특징

- Low-k 물질은 낮은 유전 상수를 가지고 있어서 전기적 신호의 전달 속도를 향상시키고 신호 간의 간섭을 감소시킵니다.

- 낮은 유전 상수로 인해 신호 간의 간섭이 감소하고, 고주파 신호 전달이 효과적으로 이뤄집니다.

- Low-k 물질은 폴리머기반, 비폴리머 기반, 무기 소재 기반이냐에 따라 다른데 무기 소재 기반 물질로는 대표적으로 SiC 물질이 있습니다.

 

위는 high-k 물질과 기존 SiO2 물질 사용시를 비교한 사례인데, high-k 물질이 두께가 2배 조금 더 두껍긴하지만, Capacitance가 1.6배나 되고 Leakage가 1/100 배가 된 것을 보면 high-k 물질이 얼마나 특성이 좋은지 알 수 있을 것 같습니다.

 

 

여기서는 다 다루지 못했지만, high-k 물질, low-k 물질에 대해 더 심도깊게 이해하고자 한다면, Leakage, Hot Electron Injection, Tunneling에 대해 알아보면 좋습니다.

 

그럼 다음에 더 좋은 내용으로 돌아오겠습니다.

[반도체 교육 어플 - 반도체마스터: 개념부터 면접까지] 이동하는 와중에도 반도체를 공부하고 싶다면 제가 만든 반도체 어플을 이용해보세요! 반도체 기초부터 면접에 관련된 내용을 카테고리 별로 공부하실 수 있습니다. 플레이스토어에서 제공 중이며 하기 링크를 통해 다운로드 가능하십니다 :) https://play.google.com/store/apps/details?id=com.nextep.semicondcutor_edu_app